[論文レビュー] Anisotropic Inflation and Cosmological Observations

Razieh Emami|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 13

ひとこと要約

本学位論文は、共形不変性を破るがゲージ不変性を保つゲージ場によって駆動される異方的インフレーションのモデルを提案し、初期宇宙の摂動に統計的異方性を導入する。宇宙論的摂動理論と一般化された別々の宇宙形式を用いて、スペクトルとバイスペクトルに対する異方的補正を計算し、TT、TE、TB、EB、BB相関における特徴的なCMBシグネチャを導出する。これは、プランク衛星および将来のCMB観測に対して検証可能な予測を提供し、標準的な等方的FRWモデルを排他的に排除する可能性を秘めている。

ABSTRACT

Recent observations opened up a new window on the inflationary model building. As it was firstly reported by the WMAP data, there may be some indications of statistical anisotropy on the CMB map, although the statistical significance of these findings are under debate. Motivated by these observations, people begun considering new inflationary models which may lead to statistical anisotropy. The simplest possible way to construct anisotropic inflation is to introduce vector fields. During the course of this thesis, we study models of anisotropic inflation and their observational implications such as power spectrum, bispectrum etc. Firstly we build a new model, which contains the gauge field which breaks the conformal invariance while preserving the gauge invariance. We show that in these kind of models, there can be an attractor phase in the evolution of the system when the back-reaction of the gauge field becomes important in the evolution of the inflaton field. We then study the cosmological perturbation theory in these kind of models. More specifically, we calculate the anisotropic corrections due to the presence of the vector field. We then generalize the separate universe formalism to our anisotropic set up and use it in some specific examples of anisotropic inflation. Finally, we connect the primordial anisotropies to the specific examples and to CMB observations. We calculate the TT, TE, TB, EB and BB correlation in the model of charged scalar field model and look for the unique signatures that the anisotropic inflation can have on the CMB map. Any future detection of these statistical anisotropies would rule out the isotropic FRW models.

研究の動機と目的

• 動的なゲージ場を介して共形不変性を破りながらゲージ不変性を保つ、物理的に妥当な異方的インフレーションモデルの構築。
• バックレアクションが顕著になる際のインフレートン-ゲージ場系におけるアトラクタ行動の調査。
• ベクトル場の存在下で、宇宙論的摂動理論を用いて初期宇宙のパワー スペクトルおよびバイスペクトルに対する異方的補正の計算。
• 非ガウス性解析のための異方的インフレーションモデルへの別々の宇宙形式の一般化。
• 理論的予測を観測可能なCMB相関関数（TT、TE、TB、EB、BB）に結びつけ、特徴的な異方的シグネチャの特定。

提案手法

• インフレートンに結合するゲージ場を導入し、共形不変性を破るがゲージ不変性を保つことで、インフレーション期における異方的力学を可能にする。
• 宇宙論的摂動の二次形式作用を導出し、スローロールで抑制される計量項の寄与と、支配的となる物質系の揺らぎを特定する。
• インイン形式を用いて、ベクトル場に起因する異方的要因を含むパワー スペクトルおよびバイスペクトルの計算。
• 非ガウス性および大規模構造形成の研究のため、異方的状況に一般化された別々の宇宙形式を適用する。
• 電荷を帯びたスカラー場モデルにおけるCMB相関（TT、TE、TB、EB、BB）の角スペクトルを計算し、統計的異方性の観測的インプリントを抽出する。
• 球面調和関数の和公式およびウィグナー3j記号の恒等式を用いて、角依存性を簡略化し、CMBスペクトルにおけるL依存のモードを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ場モデルは、共形不変性を破りながらゲージ不変性を保ち、インフレーション期にアトラクタ位相を支持できるか？
• RQ2 ベクトル場駆動の異方的インフレーションにおいて、初期宇宙パワー スペクトルおよびバイスペクトルに対する主要な異方的補正は何か？
• RQ3 このモデルにおける統計的異方性は、CMB相関関数（TT、TE、TB、EB、BB）にどのように現れるか？
• RQ4 別々の宇宙形式は、非ガウス性の計算が可能となるように、異方的インフレーションに一貫して拡張可能か？
• RQ5 CMBデータにおいて、異方的インフレーションと標準的な等方的FRWモデルを区別する、特徴的な観測的シグネチャは何か？

主な発見

• バックレアクションが顕著になる際、インフレートン-ゲージ場系にアトラクタ位相が現れ、異方的進化が安定化する。
• パワー スペクトルに対する異方的補正は、物質系の揺らぎが支配的であり、スローロールパラメータで抑制される。計量項の寄与は二次的である。
• 別々の宇宙形式は、異方的インフレーションに成功裏に一般化され、ベクトル場駆動の非ガウス性計算が可能になった。
• CMBのTT、TE、TB、EB、BB相関関数は、ベクトル場に起因する特徴的な異方的モードを示し、球面調和関数の和公式により明確な角依存性が導出された。
• モデルはCMBスペクトルにおけるL依存の特徴的なモードを予測しており、ウィグナー3j記号の恒等式を通じて、Clの対角成分がδL0依存性を示す。
• 将来的にこのような統計的異方性が検出されれば、標準的な等方的FRW宇宙論モデルは排除される。